KT178 型取心钻具在共和干热岩钻井中的应用

2021-02-02张恒春王稳石王跃伟曹龙龙

钻探工程 2021年2期

张恒春，王稳石，李宽，王跃伟，闫家，曹龙龙，胡晨，2

（1.中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊065000；2.中国地质科学院，北京100037）

1 地层情况

共和盆地位于西秦岭造山带西端、青海省东中部，隶属于青海省海南藏族自治州，南北宽90 km、东西长 210 km，总面积 21186 km2，海拔 3000 m 左右［1-2］。共和盆地地处多个造山带（西秦岭、东昆仑、祁连）和块体（柴达木和欧龙布鲁克）交接转换的重要结点地区，经历了早古生代-晚古生代的裂谷坳陷与中生代以来的陆内构造演化2 个阶段，是我国干热岩资源分布的重要区域之一［3-4］。共和盆地干热岩勘查工作始于2011 年，测算本地区地温梯度为5.42～5.81 ℃/100 m，明显高于全球平均地温梯度。2014 年，共和 DR3 井在井深 2927 m 钻获 181 ℃干热岩；2017 年，GR1 井在井深 3705 m，钻获 236 ℃干热岩；2019 年，GH-01 井在井深 4002 m，钻获 212.3 ℃干热岩，均证明该地区具有良好的干热岩勘探开发前景［5-7］。根据共和盆地近年钻探资料，其地层分布如表 1 所示［8-9］。

表1 共和盆地岩性特征Table 1 Lithology at Gonghe Basin

干热岩的最新定义为内部不存在或仅存在少量流体，温度高于180 ℃的异常高温岩体。共和盆地干热岩埋藏深度基本稳定，温度达180 ℃的干热岩埋深基本在3000～3200 m，岩性以花岗岩、黑云母二长花岗岩为主。区域内花岗岩地层裂隙较发育，研磨性强，硬度高，岩石单轴抗压强度在180～275 MPa 之间，可钻性差［10-13］。区域内干热岩勘探井以点取心为主，取心井径大多设计为152 mm，即使在完钻井径为216 mm 井眼，也大多采用“小径取心，大径扩眼”的方式完成取心工作，大直径同径取心技术应用较少［14-15］。

2 钻具设计

页岩气、地热等非常规能源勘探大多以大口径（完钻井眼直径215.9 mm）钻井为主，取心设计通常为每间隔100～200 m 取一次岩心。该类钻井工程的主要工作量为全面钻进，以三牙轮钻头或PDC 钻头为主要碎岩工具，相较于金刚石钻头，钻出井眼不规则，使用配套整圆取心钻头的大直径取心钻具常有下钻不通畅现象。KT178 型取心钻具是针对上述工程特点研制的一种新型取心工具，是对KT系列取心钻具的补充。KT 系列取心钻具是我国大陆科学钻探（包括科钻一井、汶川科钻、松科一井、松科二井等）广泛使用的取心工具，累计取心进尺超万米，在Ø215.9 mm 井眼常用KT194 型取心钻具。比较KT194 型取心钻具，KT178 型钻具外径更细，且不使用上下扩孔器，具有更好的通过性。同时，秉承KT 系列取心钻具结构简单、可靠高效的特点，为单动双管取心钻具，主要由悬挂总成、外管、岩心管、卡簧、钻头等几部分组成，结构如图1所示。

图1 KT178 型取心钻具结构示意Fig.1 Structure of KT178 coring tool

2.1 技术参数

取心钻具内外筒采用等长结构，每根长度2～10 m，现场可根据需要组合成单筒、双筒、多筒取心钻具，技术参数见表2。

表2 KT178 型取心钻具技术参数Table 2 Technical parameters of KT178 coring tool

2.2 配套钻头结构设计

在共和恰卜恰干热岩勘探工程中，取心井段被设计在破碎地层，以便更直观地了解干热岩地层破碎带裂隙发育情况。针对破碎、坚硬等地层情况，钻头设计为底喷式孕镶金刚石钻头，同时为防止钻头水眼堵塞，部分水眼设计为侧开式，具体结构如图2 所示。钻头胎体金刚石粒度40～60 目、浓度100%、胎体硬度HRC40～42，内外聚晶保径。钻头实物如图3 所示。

图2 钻头结构示意Fig.2 Coring bit structure

2.3 外管强度校核

取心钻具薄弱部件为外管，设计中外管所用材料最低抗拉强度860 MPa，抗剪强度341 MPa，其抗拉和抗扭能力可根据材料力学相关公式核算。

图3 钻头实物Fig.3 Actual Bit

抗拉公式：

式中：P——拉力，N；A——管材截面积，mm2；σb——管材抗拉强度，MPa；D——管材外径，mm；d——管材内径，mm。

抗扭公式：

式中：T——扭矩，10-3N·m；Wp——抗扭截面模数，mm3；τp——抗剪强度，MPa。

外管外径178 mm、壁厚13 mm，代入公式（1）和公式（2）可得外管最大抗拉5790 kN、最大抗扭176 kN·m。外管螺纹净壁厚8 mm，代入公式（1）和公式（2）可得外管螺纹管壁最大抗拉4760 kN，最大抗扭118 kN·m。取心钻具正常工作的情况下，拔断岩心时外管所受拉力最大，拔断岩心所需拉力可表示为：

式中：Fy——拔断岩心所需拉力，N；Ay——岩心截面积，mm2；σy——岩心抗拉强度，MPa。

设计岩心直径为110 mm，一般岩石抗拉强度≯36 MPa［16］，代入公式（3）可得Fy最大为 340 kN；另外，石油钻机转盘（或顶驱）最大工作扭矩一般不大于101.4 kN·m，取心钻具井底正常工作时，扭矩更小，因此外管强度满足正常工作要求。

2.4 卡簧挤毁校核

上提钻具拔断岩心时，卡簧在岩心和卡簧座的复合作用下，受力较为复杂，对受力情况进行简化、整理后，卡簧受力如图4 所示。其中α为卡簧外锥面锥度。卡簧除受自身重力G外，还受到岩心对卡簧的侧向压力F1、卡簧和卡簧座间的摩擦力Ff、岩心对卡簧的轴向摩擦力F2、卡簧座对卡簧的法向正压力Fn。

图4 卡簧受力示意Fig.4 Force diagram of the core catcher

由图4 可知：

式中：μ——卡簧与卡簧间的摩擦系数，取0.11；Sy——岩心横截面积，mm2；σy——岩心抗拉强度，取36 MPa。

由式（4）、（5）、（6）、（7）可知：

因卡簧座与卡簧的接触面积远大于岩心与卡簧的接触面积，这里只校核F1对卡簧的破坏作用，F1作用到卡簧上的应力为：

式中：σk——卡簧在F1作用下所受应力，MPa；Ay——岩心与卡簧的接触面积，mm2。

把岩心强度和卡簧结构参数代入公式（10）可得计算结果如表3 所示。从表中可以看出拔断岩心时钻具卡簧所受最大应力为356.34 MPa，小于其材料屈服强度，满足强度要求。

表3 卡簧校核Table 3 Calibration of the core catcher

3 现场应用

3.1 GH-01 井试验应用

2019 年，KT178 型取心钻具首先在共和干热岩GH-01 井进行试验性应用。该井完钻井深4002.88 m，试验井段为3000～3800 m。该段地层岩性以浅灰、灰白色花岗闪长岩为主，并常见浅肉红二长花岗岩，地层破碎，研磨性高。钻具试验井眼及钻进参数如下：

井眼直径：215.9 mm

裸眼段长：1500～2300 m

驱动方式：地面转盘驱动

钻具组合：KT178 型取心钻具+Ø165 mm 钻铤+Ø127 mm 加重钻杆+Ø127 mm 钻杆

转速：55 r/min

钻压：20～80 kN

排量：30 L/s

KT178 型取心钻具在该井段共入井试验4 个回次，进尺13 m，仅第3 个回次在3528～3532 m 井段，进尺4.00 m，获取岩心3.35 m，采取率84%，岩心发育近水平向的裂隙，且岩心沿裂隙断开，整体较为破碎。其它回次均未能获得岩心，且钻头存在不同程度的开裂、变形等非正常损坏（如图5 所示）。分析认为取心失败的原因如下：

图5 钻头开裂Fig.5 Cracks in the core bit

（1）钻头刚体开裂、变形导致取心钻头内圆变形，钻取的岩心直径小于卡簧完全收缩时的内径，卡簧不能卡取岩心。

（2）地面转盘驱动取心钻具，转速低，机械钻速很慢，同时钻头内保径较长，内保径长时间研磨岩心，消耗岩心直径，导致卡簧完全收缩也不能卡取岩心。

（3）取心钻具未设计上下扩孔器，地面转盘驱动时钻头在孔底存在涡动现象，钻头涡动同样消耗岩心直径，使岩心直径变小。

（4）岩心整体较为破碎，进入取心筒内岩心多为块状及颗粒状，卡簧自身无法抓住岩心或在起钻过程中丢心。

3.2 GH-02 井现场应用

在2019 年试验的基础上，改进钻头刚体结构，提高其结构强度，防止钻头变形；其次改单卡簧结构为双卡簧结构，提高卡簧卡取岩心的可靠性。钻具优化后在共和干热岩GH-02 井现场进行应用，井眼及钻进参数如下：

井眼直径：215.9 mm

裸眼段长：180 m

驱动方式：地面转盘驱动+螺杆钻具

钻具组合：KT178 型取心钻具+Ø172 mm 直螺杆+Ø178 mm 钻铤+Ø172 mm 钻铤+Ø114 mm 加重钻杆+Ø127 mm 钻杆

转速：转盘55 r/min+螺杆转速

钻压：5～40 kN

排量：30 L/s

本次取心设计在破碎地层，为防止钻井液冲刷岩心，采取投球取心的方式进行取心钻进。在1690～1691.64 m 井段，取心钻进1.64 m，因设备异常提钻，获取岩心1.24 m，岩心采取率75.61%。岩心整体较完整（见图6），为地层岩石应力、物理性质测试提供了实物样本。岩心柱上端直径磨损至102 mm，可见孔底消耗岩心直径之严重。